医療：金属インプラントと比較したPEEKの利点と欠点

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

ステンレス鋼、チタンおよびその合金などの従来の硬組織インプラント金属材料は、高い機械的強度、良好な生体適合性、疲労耐性などの優れた特性があるため、硬組織の修復および置換の分野で広く使用されています。しかし、これらの従来の金属インプラント材料の弾性率は骨組織の弾性率よりもはるかに高いため、適切な勾配強度を形成することが困難です。患者が特殊な外力を受けると、周囲の正常な臓器が損傷し、最終的にインプラントの故障を引き起こします。これはいわゆる「ストレスシールド」効果です。

最初の患者が3Dプリントされたチタン合金製の股関節インプラントを受け取ってから10年が経ちました。さらに、金属インプラントは有害な金属イオンを放出し、骨の溶解やアレルゲンの形成を引き起こす可能性があります。また、金属インプラントは、一般的に使用されている磁気共鳴画像法やコンピューター断層撮影法と互換性がないため、骨の成長と治癒のモニタリングには役立ちません。

熱可塑性特殊エンジニアリングプラスチック PEEK の化学構造特性により、優れた機械的特性、良好な生体適合性、耐薬品性、容易な加工、繰り返し可能な滅菌が可能になります。 1980年代以降、材料研究者や整形外科研究者から注目が高まり、硬組織の修復や置換の分野で金属材料に代わる可能性を秘めています。 3D プリントの用途が拡大するにつれ、PEEK はますます注目を集めるようになりました。

PEEK頭蓋骨および椎体間インプラント

金属インプラントの代替としての PEEK の利点<br /> PEEK には金属インプラントに比べて 2 つの明確な利点があります。
まず、PEEK の弾性率は皮質骨の弾性率に近く、特に炭素繊維強化 PEEK の弾性率は皮質骨の弾性率とより一致しています。この近いまたは一致する弾性係数により、応力遮蔽効果がある程度弱まるか、または排除され、インプラントと骨組織間の骨の統合に有益であり、PEEK インプラントの長期的な安定性が確保されます。

PEEK 半硬質ロッド<br /> 第二に、PEEK は X 線を透過し、CT や MRI でスキャンしてもアーティファクトが生成されないため、骨の成長や治癒のプロセスを監視しやすくなります。さらに、PEEK は生体適合性、耐摩耗性、耐疲労性、耐腐食性、加工のしやすさにも優れており、金属材料よりも軽量です。上記の利点により、PEEK は外傷、脊椎、関節などの分野で広く使用されています。

歯科インプラントに使用されるPEEKは、チタンよりも軽くて快適で、金属味がありません。FDAの承認を受けています。ステンレス鋼、チタン合金、超高分子量ポリエチレンインプラントと比較して、PEEKとその複合材料は耐摩耗性に優れており、摩耗粒子によって引き起こされるインプラント周囲の炎症や骨溶解などの問題を効果的に回避できます。したがって、PEEK は、整形外科用インプラントの用途において従来のインプラントに代わる候補材料の 1 つと考えられています。

昆明医科大学附属第一病院は、鎖骨の置換に3DプリントされたPEEK素材の人工関節を使用している。

2017年4月、中国の唐都病院は世界初のPEEK肋骨インプラント手術を終えました。2018年1月、同病院はくるみ割り症候群の治療に国内初のPEEKインプラントを終えました。同年8月、昆明医科大学第一付属病院は3DプリントされたPEEK素材の人工関節を初めて鎖骨の置換に使用しました。現在までに、3D プリントされた PEEK 人工関節の臨床事例が数十件あります。しかし、これは PEEK に問題がないことを意味するものではありません。

整形外科用インプラントにおけるPEEKの欠点
PEEK は表面が比較的疎水性であるため表面エネルギーが低く、細胞の接着が制限されます。 PEEK の生物学的不活性により、PEEK インプラントと宿主骨組織間の骨結合が不十分になり、臨床診療ではインプラントの移動、ケージの閉じ込め、偽関節などの多くの合併症に遭遇することが多く、in vitro および臨床応用研究の両方で満足のいく結果が得られません。

理想的な PEEK 表面は、細胞の接着、増殖、骨芽細胞の分化を可能にし、PEEK インプラントの表面での石灰化を促進し、大量の骨融合を生み出す必要があります。

理想的なPEEK表面を構築するために、研究者は生体活性セラミック充填、繊維強化、PEEK多孔化などの方法を通じて一連のPEEKとその複合材料を準備してきました。最終的な目標は、この材料のインプラントに血管新生と栄養伝達を維持する機能を持たせ、十分な機械的強度と耐摩耗性を持たせることです。しかし、さまざまな指標のバランスを維持することは、現在の研究において依然として困難です。

昨年9月、医療用ポリマー会社DiFusionが開発した微多孔性親水性PEEK素材が、整形外科医によって2018年の脊椎材料トップ10に選ばれました。この材料は、従来の PEEK の機械的特性とイメージング機能を維持しながら、整形外科用インプラントの成長をサポートする点が評価されました。この材料は射出成形、3Dプリント、機械加工に使用でき、現在2019年の商業利用に向けて規模拡大が進められている。

PEEK の応用可能性は素晴らしいことは否定できませんが、既存の問題も非常に顕著です。材料のブレークスルーが、PEEK を安全に応用するための鍵となります。

実際、完璧な製品は存在しません。金属インプラント材料には多くの欠点がありますが、3Dプリントされたチタン合金股関節を移植された最初の患者は、10年以上健康に歩いています。この記事は専門家がより多くの知識を得るのを助けることを目的としていますが、一般の患者は材料の長所と短所にあまり注意を払う必要はなく、医師が最善の決定を下すでしょう。

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

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